Tepelné čerpadlo a ako mu porozumieť

Tepelné čerpadlo je výrobok, ktorý bežne vidíme v každej domácnosti a nazýva sa mraznička alebo chladnička. Ten, presne povedané, nevyrába a nedodáva chlad, ale z priestoru, ktorý chceme chladiť, odoberá (čerpá) teplo a doručuje ho inam. Pozorný majiteľ chladničky alebo mrazničky dávno postrehol, že na ich odvrátenej zadnej strane je radiátor, ktorý sála teplo a je oveľa teplejší, než okolitý vzduch. Jedná sa o teplo, ktoré je odoberané z vnútorného priestoru chladničky a sprostredkovávané do priestoru mimo chladničku.

Mraznička nedokáže odoberať z ochladzovaného priestoru teplotu, teda stupne °C, ale len teplo v jouloch (J) alebo v kWh. A aby toto teplo predal do miestnosti, ktorá má teplotu 25 °C, musí mať radiátor teplotu oveľa vyššiu, ako je vzduch v miestnosti.

Účinnosť tepelného čerpadla

Popíšme si ju na príklade, v ktorej je vonkajší vzduch zdrojom tepla, ktoré čerpáme. Tieto tepelné čerpadlá sú v našom podnebnom pásme (a tiež s ohľadom na iné prednosti) najčastejšie. Vo vykurovacom období je možné jeho službu popísať takto:

1. TČ naberie za hodinu 100 kg vonkajšieho vzduchu a ochladí ho o 10 °C,
2. tým získa 1 MJ = 0,28 kWh/hod tepla, teda tepelnej energie,
3. touto energiou vykuruje dom,
4. za celý deň dodá 24 hod × 0,28 kWh/hod. = 6,67 kWh,
5. pritom spotrebuje len zlomok tejto energie.

Z tohto je zrejmý aj názov tepelné čerpadlo, ktorý toto zariadenie dostalo. Z chladného vonkajšieho vzduchu čerpá teplo, ktorým potom ohrieva oveľa teplejší vnútorný vzduch. V lete je to naopak: tepelné čerpadlo v roli klimatizácie čerpá teplo z vnútorného vzduchu a tým potom ohrieva oveľa teplejší vonkajší vzduch. Podobne čerpáme vodu z hlbokej studne; voda však nepritečie do kuchynského kohútiku sama z hĺbky 10 m, je potrebné ju vodným čerpadlom vytlačiť vysoko nad kohútik.

Na tento režim čerpania, ktorý nie je samovoľný, musíme použiť stroj – tepelné čerpadlo. Teplo, ktoré tepelným čerpadlom odoberáme vzduchu na jednej strane a na druhej potom dávame, je bezplatné, avšak bezplatný nie je elektrický pohon tohto stroja. Stroj – tepelné čerpadlo – sa pri svojom chode zahrieva a stáva sa zdrojom tepla. V zime je možné tohto tepla využiť k vykurovaniu aj ohrevu vody.

Pre stanovenie pohonu takéhoto stroja existuje už od roku 1824 presný návod, ktorý sformuloval Nicolas Léonard Sadi Carnot¹) uverejnením jednoduchého vzorca pre maximálnu účinnosť tepelného stroja:

Carnot mal na mysli tepelný stroj, ktorý využíva energiu tepla, ktorá skrze neho preteká od teplého k studenému zásobníku. To je dnes príklad parných strojov a turbín, spaľovacích motorov a pod. Tepelné čerpadlo je príklad obráteného deja: poháňame ho elektrinou a ono vytvára požadovanú teplotu v miestnosti a celom dome, zatiaľ, čo druhý zásobník – chladnejší vonkajší vzduch – je ochladzovaný.

Pri malom rozdiely teplôt vo vnútri a vonku je účinnosť prečerpávania tepla vysoká, pri veľkom sa znižuje. K tomu sa potom pričíta už spomenutá vlastná tepelná strata TČ.

Vykurovací faktor COP

COP je anglická skratka slov „Coefficient of Performance”, čo je možné preložiť ako koeficient účinnosti či účinkovania. Udáva pre dané tepelné čerpadlo pomer vyprodukovaného tepla a spotrebovanej energie za presne definovaných podmienok (vnútorné a vonkajšie teploty) podľa normy EN 14 511. Počíta sa podľa vzorca:

kde ΔQ je vykurovací výkon TČ vo watoch a ΔW je tomu zodpovedajúci elektrický príkon tepelného čerpadla. Tento údaj je vhodný k porovnaniu rôznych TČ medzi sebou (čím väčší COP, tým lepší TČ), avšak nehovorí nič o tom, koľko energie spotrebujeme na prevádzku tepelného čerpadla. COP totiž veľmi závisí na vonkajšej teplote vzduchu, ktorá sa počas roku pohybuje medzi –20 až +30 °C, a na teplote vnútorného teplovýmenného média.

Sezónny COP

SCOP (Seasonal Coefficient of Performance) započítava priemerné vonkajšie teploty vzduchu za celú vykurovaciu sezónu a jeho výpočet upravuje norma EN 14 825. Tá zavádza a určuje priemerný ročný výkon tepelného čerpadla pre 3 rôzne klimatické pásma v rámci Európy (chladnejšie, mierne, stredomorské) a nasledujúci počet hodín vykurovacej sezóny:

• chladné podnebie: 6 446 hodín,
• mierne podnebie: 4 910 hodín a
• teplé (stredomorské) podnebie 3 590 hodín

Spomenutá norma tiež stanoví, v akých teplotách musia byť tepelné čerpadlá testované, aby bolo možné určiť ich SCOP v jednotlivých klimatických podmienkach.

Tabuľka uvádza teploty pre testovanie SCOP tepelných čerpadiel v jednotlivých klimatických podmienkach. Doplňme, že európska agenda okolo COP a SCOP sa netýka letného chladenia, tzn. klimatizácia, ktorú je možné riešiť iba a len tepelnými čerpadlami.

Záver

Tepelné čerpadlá účinne riešia či už zimné vykurovanie, tak aj letné chladenie (žiadne iné technické zariadenie aktívne nechladí). Po celej Európe sú tak neoddeliteľnou súčasťou novej výstavby a tiež modernizácie rodinných a bytových domov, ale tiež kúpeľov, hotelov, administratívnych budov atď. až po výstavbu priemyselných objektov. Aj v Českej republike rastie záujem o tepelné čerpadlá. Tepelné čerpadlá šetria energiu a dokážu nielen realizovať dom, ktorý bude povinné stavať po roku 2020. V spojení s fotovoltaikou a solárnymi panelmi dokážu z týchto domov vytvoriť aktívne domy (s vlastnou výrobou energie pre seba) alebo domy, ktoré sú energeticky úplne sebestačné.

Prečítajte si tiež:

• Pravda a nepravda o tepelných čerpadlech
• Aktivní chlazení pomocí tepelných čerpadel